Teste de Desempenho com Escoamento Bifásico Água/Glicerina-Ar

Os testes bifásicos utilizando a solução de glicerina em água têm como objetivos investigar o efeito da viscosidade no arranjo entre as fases no interior da bomba. A Figura 3.33 apresenta os resultados do desempenho da bomba protótipo operando com rotação de 900 rpm,

pressão de sucção de 150 kPa, viscosidade de 13 cP e vazões de ar de 0,0125, 0,025 e 0,050 kg/h. A curva de desempenho monofásico na viscosidade de 13 cP, também, é apresentada como referência.

Figura 3.33 – Desempenho bifásico da bomba protótipo operando com mistura água/glicerina- ar, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚, 𝑃₁ = 150 𝑘𝑃𝑎, 𝜇 = 13 𝑐𝑃 e diferentes vazões de ar.

Os pontos IM 27 a IM36 da Figura 3.33 fazem referência ao teste com vazão mássica de 0,0125 kg/h. Essa condição operacional é escolhida para ilustrar a visualização do escoamento no interior do impelidor. A visualização do padrão de escoamento referente a cada um desses pontos é mostrada na Figura 3.34 e do Vídeo 22 até o Vídeo 31.

O efeito de degradação devido à viscosidade do líquido soma-se ao efeito de degradação causado pela fase compressível, reduzindo a capacidade da bomba de tolerar a presença de gás. As curvas de desempenho apresentam as mesmas características observadas no escoamento água-ar, porém com uma degradação do desempenho bastante acentuada.

Os mesmos padrões de escoamento identificados para a mistura água-ar são observados para a operação bifásica com fluido viscoso. No entanto, o padrão Bubble Flow é extremamente restrito, sendo observado apenas nos pontos IM 27 e IM 28. Nesses pontos, as bolhas de gás não possuem formato esférico. O diâmetro, acima do crítico, faz com que as bolhas sejam intensamente deformáveis pelo escoamento.

IM27, λ=0,14 % IM28, λ=0,15 %

IM29, λ= 0,17 % IM30, λ=0,18 %

IM33, λ=0,22 % IM34, λ=0,25 %

IM35, λ=0,29 % IM36, λ=0,37 %

Figura 3.34 – Visualização do escoamento para a bomba protótipo operando com mistura bifásica água/glicerina-ar, 𝜇 = 13 𝑐𝑃, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚, 𝑃1 = 150 𝑘𝑃𝑎 e 𝑚̇𝐺 = 0,0125 𝑘𝑔/ℎ.

O desempenho da bomba diminui, progressivamente, com o aumento da fração de gás. O padrão Agglomerated Bubble Flow é identificado no ponto IM 29. Desse ponto em diante, o desempenho da bomba começa a desviar-se do desempenho monofásico. São visualizadas grandes bolhas isoladas, dando início ao padrão Gas Pocket Flow. Esse padrão estende-se dos pontos IM30 a IM33.

O Ponto IM33 ilustra a condição limite para o padrão Gas Pocket Flow. São observadas grandes bolhas de ar que se concentram na aresta de entrada do impelidor, na região de baixa pressão das pás. Relacionado a esse ponto, é observado o ponto de Surging na curva de desempenho.

Com o aumento da fração de gás, é observado o padrão Segregated Flow, IM34 a IM36. A bolha estacionária de gás aumenta de tamanho, estendendo-se, radialmente, e ocupando todo canal do impelidor. Essa estrutura de gás se posiciona juntamente à face de baixa pressão da pá do impelidor, enquanto o líquido escoa pelo canal formado junto a face de alta pressão. As ondas interfaciais presentes na bolha estacionária indicam a estratificação do escoamento também na direção axial do impelidor.

A jusante da bolha estacionária é observada uma região de intenção recirculação, em que bolhas menores se despendem e são carreadas pela corrente de líquido para a aresta de saída do impelidor.

A seção do canal, transversal ao escoamento, é ocupada na sua maioria pela fase gás, reduzindo quase a zero a capacidade da bomba de transferir energia a mistura.

A Figura 3.35 apresenta os resultados do desempenho da bomba protótipo operando com rotação de 900 rpm, pressão de sucção de 150 kPa, viscosidade de 20 cP e vazões de ar de 0,0125 e 0,025 kg/h. Os pontos IM 37 a IM43 fazem referência ao teste com vazão mássica de 0,025 kg/h. A visualização do escoamento nesses pontos é apresentada na Figura 3.36.

Figura 3.35 – Desempenho bifásico da bomba protótipo operando com mistura bifásica água/glicerina-ar, diferentes vazões de gás, 𝜇 = 20 𝑐𝑃, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚 e 𝑃1 = 150 𝑘𝑃𝑎.

IM37 , λ=0,32 % IM38, λ=0,33 %

IM39, λ= 0,36 % IM40, λ=0,37 %

IM43, λ=0,48 %

Figura 3.36 – Visualização do escoamento para a bomba protótipo operando com mistura bifásica água/glicerina-ar, 𝜇 = 20 𝑐𝑃, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚, 𝑃₁ = 150 𝑘𝑃𝑎 e 𝑚̇_𝐺 = 0,025 𝑘𝑔/ℎ

Com o aumento da viscosidade da fase líquida, os padrões Bubble Flow e

Agglomerated Bubble Flow não são observados. Mesmo para pequenas frações de gás, nas

condições inicias do teste, as bolhas já possuem dimensões consideráveis e interfaces intensamente deformáveis.

Os pontos IM37 a IM40 são caracterizados pelo padrão Gas Pocket Flow, enquanto nos pontos IM41 a IM43 observa-se o padrão Segregated Flow.

A Figura 3.37 apresenta os resultados do desempenho da bomba protótipo operando com rotação de 900 rpm, pressão de sucção de 150 kPa, viscosidade de 32 cP e vazão de ar de 0,0125 kg/h. A visualização do escoamento nos pontos IM44 a IM47 é apresentada na Figura 3.38.

Nessas condições operacionais a bomba não é capaz de tolerar a mínima presença de gás. O efeito do campo centrífugo sobrepõe-se a força de arrasto, fazendo com que a fase gás segregue no interior do impelidor. A capacidade da bomba de gerar pressão é praticamente nula.

O padrão Gas Pocket Flow ocorre apenas no ponto IM 44. Nesse ponto, as bolhas de gás possuem características alongadas. Praticamente não se observa quebra das bolhas, devido a redução da turbulência pela viscosidade do líquido. Nos pontos IM 45 a IM 47, observa-se o padrão Segregated Flow.

Figura 3.37 – Desempenho bifásico da bomba protótipo operando com mistura bifásica água/glicerina-ar, 𝜇 = 32 𝑐𝑃, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚, 𝑃1 = 150 𝑘𝑃𝑎 e 𝑚̇𝐺 = 0,0125 𝑘𝑔/ℎ.

A Figura 3.39 apresenta os resultados do desempenho da bomba protótipo operando com rotação de 900 rpm, pressão de sucção de 150 kPa, viscosidade de 52 cP e vazão de ar de 0,0125 kg/h. A visualização do escoamento nos pontos IM48 a IM51 é apresentada na Figura 3.40 e no Vídeo 32 até o Vídeo 35.

Para a maior viscosidade testada, foi observado, apenas, o padrão Segregated Flow. Nessas condições, as bolhas estacionárias de gás bloqueiam praticamente todo impelidor. A bomba é incapaz de transferir energia a mistura.

Nesses testes observou-se que, após as bolhas de gás bloquearem o impelidor, mesmo que a vazão de gás seja nula, o debloqueio só é possível pelo aumento da pressão de sucção ou da rotação.

IM44 , λ=0,43 % IM45, λ=0,91 %

IM46, λ= 1,31 % IM47, λ=1,50 %

Figura 3.38 – Visualização do escoamento para a bomba protótipo operando com mistura bifásica água/glicerina-ar, 𝜇 = 32 𝑐𝑃, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚, 𝑃1 = 150 𝑘𝑃𝑎 e 𝑚̇𝐺 = 0,0125 𝑘𝑔/ℎ.

Figura 3.39 – Desempenho bifásico da bomba protótipo operando com mistura bifásica água/glicerina-ar, 𝜇 = 52 𝑐𝑃, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚, 𝑃1 = 150 𝑘𝑃𝑎 e 𝑚̇𝐺 = 0,0125 𝑘𝑔/ℎ.

IM48 , λ=0,24 % IM49, λ=0,26 %

IM50, λ= 0,27 % IM51, λ=0,31 %

Figura 3.40 – Visualização do escoamento para a bomba protótipo operando com mistura bifásica água/glicerina-ar, 𝜇 = 52 𝑐𝑃, 𝜔 = 900 𝑟𝑝𝑚, 𝑃1 = 150 𝑘𝑃𝑎 e 𝑚̇𝐺 = 0,0125 𝑘𝑔/ℎ.

3.3.2.5 Teste de Desempenho com Escoamento Monofásico de